軟土地區(qū)路基沉降數(shù)值分析

文/新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院 鄭建斌

在我國(guó)，軟土主要分布在東南沿海、內(nèi)陸河湖及山間谷地等地區(qū)，分布范圍廣泛。因此，在修建公路時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到軟土地基。由于軟土自身的特性，在軟土地區(qū)填筑路基時(shí)，會(huì)面臨一系列的工程問(wèn)題，特別是當(dāng)?shù)缆吠度脒\(yùn)營(yíng)后，路基的不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致路基路面出現(xiàn)沉陷、開(kāi)裂等病害，嚴(yán)重影響道路的使用壽命和行車舒適性。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)軟土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，指出軟土的工程性質(zhì)與其微觀機(jī)構(gòu)有很大的聯(lián)系。為了較好地處治軟土地基，控制不均勻沉降，必須先掌握軟土地基上路基的不均勻變形特點(diǎn)，本文將采用數(shù)值模擬的方法對(duì)軟土地區(qū)路基的不均勻沉降規(guī)律進(jìn)行探究。

模型的建立

本文運(yùn)用Geostudio數(shù)值軟件中的Sigma/w模塊來(lái)模擬軟土地區(qū)公路路基的沉降狀況。為了便于計(jì)算，將路基模型簡(jiǎn)化為二維模型，從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變問(wèn)題來(lái)研究。計(jì)算時(shí)所采用的本構(gòu)模型為“摩爾-庫(kù)倫模型”，邊界條件設(shè)置為限制模型左右邊界的水平位移，同時(shí)限制模型下邊界在水平方向、豎直方向上的位移。路基寬度為28m，邊坡坡度1：1.5，高度為5m；根據(jù)規(guī)范要求，地基計(jì)算寬度不得小于路基寬度的3倍，而地基的計(jì)算深度如公式一所示。本文取地基計(jì)算寬度為100m，地基計(jì)算深度為40m，滿足要求。此外，在路基和地基中間設(shè)置1m厚的砂土墊層。

式中：Zn為地基計(jì)算深度，b為路基寬度。

網(wǎng)格劃分時(shí)采用的是四邊形和三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為1m。路基的幾何圖和網(wǎng)格劃分圖分別如圖1和圖2所示，路基土和地基土的材料參數(shù)如表1所示。

將計(jì)算時(shí)間設(shè)為180天，路基沉降180天后路基模型網(wǎng)格變化如圖3所示，可得知，路基發(fā)生了明顯的沉降。以路基中心為原點(diǎn)，路基頂面沉降量沿著路基寬度的分布如圖4所示。

由圖4可知，路基頂面沉降值沿路基中心對(duì)稱分布，而且路基頂面沉降曲線呈拋物線狀：其中路基中心處沉降量最大，達(dá)到1.118m；左、右路肩處（±14m處）的沉降量最小，為1.065m；路基中心和路肩處的沉降差為0.053m。

圖1 路基幾何模型

圖2 路基網(wǎng)格劃分圖

表1 路基和地基材料參數(shù)

圖3 180天后路基模型網(wǎng)格變化圖

圖4 路基頂面沉降曲線圖

地基回彈模量對(duì)路基沉降的影響

研究表明軟土地區(qū)路基沉降與地基的回彈模量息息相關(guān)，為了研究地基回彈模量對(duì)路基沉降的影響，分別選取五種不同的地基回彈模量參數(shù)，如表2所示。將這些參數(shù)導(dǎo)入到圖1所示的路基模型中，得出的五種地基上路基頂面的沉降曲線如圖5所示。

由圖5可知，不同地基回彈模量下，路基頂面沉降值均在路基中心處最大，而在兩側(cè)路肩處最小。但是，當(dāng)?shù)鼗貜椖Ａ坎煌瑫r(shí)，路基頂面沉降值的大小有很大的差別：五種地基回彈模量下，路基頂面最大沉降值分別為1.118m、0.748m、0.563m、0.452m和0.377m；即當(dāng)?shù)鼗貜椖Ａ繛?0000kPa時(shí)，路基頂面最大沉降值為地基回彈模量30000kPa時(shí)的2.97倍。

表2 路基和地基材料參數(shù)

表3 路基和地基材料參數(shù)

圖5 不同地基回彈模量下路基頂面沉降曲線圖

圖6 不同路基填料重度下路基頂面沉降曲線圖

此外，由圖5可知，地基回彈模量越大，沉降曲線越平緩，也就是說(shuō)，地基回彈模量不同，路基頂面差異沉降（即路基頂面最大沉降值和最小沉降值之差）也有很大的差別：當(dāng)?shù)鼗貜椖Ａ繛?0000kPa時(shí)，路基頂面差異沉降高達(dá)0.053m；隨著地基回彈模量的增大，路基頂面差異沉降逐漸減小，當(dāng)?shù)鼗貜椖Ａ繛?0000kPa時(shí)，路基頂面差異沉降僅為0.019m。

可見(jiàn)，地基回彈模量越大，路基頂面的沉降值和差異沉降值越小。因此，若軟土地基不進(jìn)行加固處置，其地基回彈模量較小，會(huì)導(dǎo)致路基沉降量過(guò)大；對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處置，能提高軟土地基的回彈模量，從而顯著減小路基的不均勻沉降。

路基填料重度對(duì)路基沉降的影響

近年來(lái)輕質(zhì)路基填料受到廣大研究者的關(guān)注，為了研究路基填料的重度對(duì)軟土地區(qū)路基沉降的影響，采用圖1所示的路基模型，現(xiàn)分別選取四種路基填料重度進(jìn)行計(jì)算，具體材料參數(shù)如表3所示。四種路基填料重度下，路基頂面的沉降曲線如圖6所示。

由圖6可知，路基填料的重度對(duì)路基頂面沉降有很大的影響：路基填料的重度越大，路基頂面沉降就越大。當(dāng)路基填料的重度分別為5kN/m3、10kN/m3、15kN/m3及20kN/m3時(shí)，路基頂面最大沉降值分別為：0.959m、1.016m、1.072m及1.129m。其中，路基填料重度為20kN/m3時(shí)的路基頂面最大沉降為路基填料重度為5kN/m3時(shí)的1.18倍。

五種路基填料重度下，路基頂面沉降曲線的斜率差別較大，這表明路基頂面差異沉降也有很大的差別：當(dāng)路基填料重度為5kN/m3時(shí)，路基頂面差異沉降較小，數(shù)值為0.014m；當(dāng)路基填料重度為20kN/m3時(shí)，路基頂面差異沉降高達(dá)0.056m，是前者的4倍?？梢?jiàn)，路基填料重度亦是影響軟土地區(qū)路基沉降的重要因素之一。在經(jīng)濟(jì)條件滿足的條件下，可以考慮采用輕質(zhì)路基填料來(lái)填筑路基，如EPS、泡沫混凝土等，以減少軟土地區(qū)路基沉降。

結(jié)論

本文通過(guò)建立軟土地區(qū)路基的數(shù)值模型，計(jì)算了不同條件下路基的沉降值，并對(duì)路基沉降的影響因素進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：

地基回彈模量對(duì)路基沉降有很大的影響：路基頂面沉降值和差異沉降值均隨著地基回彈模量的增大而減小。因此，在修筑公路之前，影對(duì)軟土地區(qū)的地基記性加固處治。

路基填料的重度是影響路基沉降的重要因素之一，路基填料越輕，則路基頂面沉值越??；此外，路基頂面差異沉降值也隨著路基填料重度的減小而減小。因此，用輕質(zhì)路基填料填筑路基是控制路基沉降的有效方法之一。